高强度聚焦超声肿瘤治疗仪控制系统设计及功能测试

　　1引言

　　肿瘤的超声热疗包括温热疗法(hyPerthermia)与高强度聚焦超声(highintensityfoeusedultra-、und)两种。超声温热疗法的治疗原理是基于加温声学技术时细胞缓慢死亡的现象「‘〕。现在，一般用于人体肿瘤治疗的加热温度是43℃一46℃之间川，并维持较长的时间(每次治疗一般为30min一60min)。高强度聚焦超声的概念于1942年由切nn阁首先提出;此后，Fry提出用高强度聚焦超声进行外科手术。

　　1956年Burov首次提出:治疗癌症时，短时间高强度超声辐射比长时间低强度超声辐射效果更好。其原理是:通过声聚焦在治疗区产生高能量，从而使病变组织温度在短时间内升高至7()℃以上，使病变组织直接消融。

　　在肿瘤的热疗中，理想的状况是，精确地定位所需要加热的区域，迅速彻底地杀灭肿瘤，尽量少甚至不伤及周围的正常组织。这一点，温热疗法难以做到，而高强度聚焦超声(HIFU)却有着得天独厚的优势。在肿瘤的热疗方面，与微波和射频相比，超声具有穿透性好、能加热深部大块肿瘤、脂肪不过热、测温容易、聚焦好等优点。

　　HIFu治疗仪目前有湿式和干式两种，湿式装置是将人体待治疗部分浸人水中，而在干式装置中，人体及待治疗部分都不浸人水中，声能由水囊藕合进人人体内。重庆医科大学采用湿式装置制造出了HIFu肿瘤治疗仪，临床上反映不错[“，5〕。本文所述为采用干式装置的高强度聚焦超声对肿瘤进行消融治疗，这在国内外还未见相应的文献报道，为首次采用。由于干式装置进行高强度聚焦超声肿瘤消融治疗面临系统结构复杂、定位技术要求高等难题，所以整个系统的控制部分就显得尤为重要。由于WIN-JX)WS操作系统的非实时、非安全性，本文首次采用一块可独立运行的DSP板作为前端控制器对超声探头的运动和定位以及超声功率放大器进行控制，充分考虑了系统的安全性和实时性的要求。系统的中央控制台由PC机实现，操作人员通过PC机上的人机交互界面对整个系统进行控制。DSP板与PC机之间通过标准RS232串行口通讯，DSP板与步进电机以及脉冲编码器之间的连接通过外围接口电路实现。

　　2HIFU肿瘤治疗仪系统结构

　　本文所述的HIFU肿瘤治疗仪系统结构框图如图1所示，下面就DSP单片机控制台部分和PC机中央控制台部分分别加以介绍。

　　2·1DSP单片机控制台

　　此方案采用美国TI’(德州仪器)公司的丁M邵20F2061万l〕芯片作为单片机控制台的微处理芯片。TM出20凡061石】〕为增强型日由从lrd结构，具有程序、数据和I/O三个相互独立的存储空间。SP控制台作为前端控制器，是整个控制系统较为核心的部分，DSP单片机控制台的原理框图如图2所示。用它来实时控制换能器探头上下、左右、前后、旋转等四个方向的运动，即X、Y、Z、a四个自由度上的运动。控制信号由中央控制台根据实际需要发出，并由TMS320凡061〕SP实时处理后通过16通道中的12路数字量输出端口输出，经光电隔离后，再经电平转换及限位保护等外围电路，最后到达电机驱动模块，再由电机驱动模块驱动步进电机控制探头机械运动。对探头运动方向的控制由于采用了DSP智能控制，故可让探头沿某一角度平面(如B超平面以及与B超平面垂直的平面)运动。同时，四自由度探头定位信号由脉冲编码器输